滕州荊泉水源地巖溶塌陷特征與成因分析

賈繼成，孟憲洲，白平

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,山東 濟寧 27210；2. 四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九〇九水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊, 四川 綿陽 621000)

0 引言

荊泉水源地開采井群位于山東省滕州市區(qū)東北約8.5km處荊泉街道后荊溝村，是滕州市城區(qū)居民飲用主要巖溶供水水源[1]，該水源地匯水面積1126km2。

自2015年6月以來，在其范圍內(nèi)的東郭鎮(zhèn)楊明莊村、羅莊村及俞寨地段連續(xù)發(fā)生巖溶塌陷，對當?shù)厝罕娚敭a(chǎn)安全、地下水水質(zhì)、道路交通等方面造成了一定影響。2016年5月26日，滕州市東郭鎮(zhèn)西塢溝村西農(nóng)田發(fā)生1起巖溶塌陷，塌陷坑直徑約11m，塌陷深度約11m，周邊伴有多條裂縫，裂縫寬2～5cm，長余20m。塌陷坑?xùn)|距京滬高鐵84m。部分網(wǎng)絡(luò)媒體對其以“天坑”字眼進行大肆渲染，在民眾中引發(fā)了不小的恐慌。

通過高密度電阻率法、工程地質(zhì)鉆探等手段查明區(qū)內(nèi)巖溶塌陷坑11處，巖溶塌陷隱患點(地表已變形但暫未形成塌陷坑)34處。掌握了該區(qū)松散層的土洞[2]、基巖淺層溶洞和裂隙發(fā)育情況及其分布規(guī)律①山東省魯南地質(zhì)工程勘察院,滕州市荊泉水源地區(qū)域巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查報告,2015年。。

1 區(qū)域地質(zhì)條件概述

荊泉水源地區(qū)域地層主要為：寒武- 奧陶系九龍群張夏組、崮山組、三山子組、奧陶紀馬家溝組土峪段、五陽山段和北庵莊段灰?guī)r、白云巖[3]。發(fā)育的斷裂為嶧山斷裂及東郭斷裂(圖1)。荊泉水源地水文地質(zhì)邊界西部以嶧山斷裂為界，斷裂西側(cè)為粉砂巖與砂質(zhì)泥巖互層[4]，為隔水邊界；北部及東北部巖漿巖分布區(qū)地表分水嶺構(gòu)成了北部邊界，可視為阻水邊界；東部邊界位于山亭區(qū)馮卯—東堌城—依山口一帶，地表、地下碳酸鹽巖巖溶均有不同程度的發(fā)育，構(gòu)成補給邊界；南部界線位于滕州市東沙河鎮(zhèn)千年莊一帶，該處巖漿巖裂隙不發(fā)育，導(dǎo)水性和富水性均差，可視為阻水邊界。

1—侏羅紀淄博群三臺組；2—奧陶紀馬家溝群五陽山組；3—土峪組；4—北庵莊組；5—東黃山組；6—寒武- 奧陶紀九龍群三山子組；7—炒米店組；8—寒武紀九龍群崮山組；9—張夏組；10—長清群饅頭組；11—花崗巖類；12—透水性斷裂；13—隔水性斷裂；14—荊泉水源地開采井群；15—巖溶塌陷位置圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖

區(qū)內(nèi)巖溶水具有補給面積大、徑流條件好、排泄集中的特點[5]，補給以大氣降水入滲、東部邊界側(cè)向徑流補給為主，其次為地表水滲漏、第四系越流和農(nóng)田灌溉回滲補給。排泄方式主要有人工集中開采和當?shù)剞r(nóng)業(yè)分散開采等。

2 巖溶塌陷形成條件及誘發(fā)因素

發(fā)育的淺層開口巖溶洞隙存在一定厚度的松散覆蓋層，地下水位大幅下降是該區(qū)產(chǎn)生巖溶塌陷的基本條件。長期過量抽采巖溶水是區(qū)內(nèi)巖溶塌陷的主要因素[6]。枯水期農(nóng)業(yè)集中開采地下水進行農(nóng)田灌溉及強降水是產(chǎn)生巖溶塌陷的誘發(fā)因素(圖2)。

圖2 巖溶塌陷誘因與影響因素相關(guān)性

2.1 巖溶裂隙

區(qū)內(nèi)發(fā)育在基巖內(nèi)部的開口型巖溶裂隙和隱伏溶洞是地下水運移流動的良好場所，也為上覆松散層巖土體坍塌提供了堆放場所和轉(zhuǎn)移途徑[7]。過量開采等原因致使裂隙巖溶地下水水位發(fā)生大幅度降低，地下水頭落差導(dǎo)致動水壓力增強，從而對巖溶洞隙通道中的堆積物產(chǎn)生更加強烈的側(cè)向侵蝕、沖刷和搬運作用。堆積在巖溶洞隙中的巖土體不斷被搬運隨水流帶走，在松散覆蓋層下部接觸面的洞隙開口處逐漸產(chǎn)生孔穴，成為初期土洞。待巖溶水位下降至基巖頂板以下時，承壓地下水轉(zhuǎn)為無壓狀態(tài)，外部空氣流通不暢，于是在巖溶空腔內(nèi)部形成真空負壓環(huán)境，受吸蝕作用影響在蓋層底板產(chǎn)生吸盤吸蝕力[8]。另外，在開口溶蝕洞穴和上覆第四系松散層之間存在有天然的“臨空面”，之前破壞塌落或被潛蝕沖刷的上覆松散層暫時儲存在洞穴空腔中，后在地表水、地下水及重力的共同作用下逐漸被轉(zhuǎn)移帶走，造成蓋層土體不斷銷蝕破壞，最終產(chǎn)生塌陷。因此巖溶塌陷形成過程中經(jīng)歷了形成空腔—塌土—堆積物被沖刷—不斷塌土—土洞擴展—地表塌坑形成的過程(圖3)。在上述過程中，巖溶塌陷經(jīng)歷了漸變—突變的發(fā)展變化過程，漸變過程往往是難以察覺的，突變過程中帶來的危害是劇烈的。

據(jù)鉆孔資料，該區(qū)灰?guī)r巖溶最為發(fā)育，其次為白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云質(zhì)灰?guī)r等，從區(qū)域分布上看，補給區(qū)巖溶發(fā)育弱，排泄區(qū)巖溶發(fā)育強烈。俞寨、秦林、屯里一帶位于排泄區(qū)或近排泄區(qū)，隱伏的淺部巖溶發(fā)育均一，以蜂窩狀巖溶為主。前塢溝、邵疃、東郭一帶位于徑流區(qū)，巖溶形態(tài)主要為溶蝕裂隙，為巖溶發(fā)育區(qū)?；鶐r頂板下0～30m，巖溶能見率為24%，為巖溶強發(fā)育段。

2.2 松散覆蓋層條件

巖溶塌陷主要表現(xiàn)形式為上覆的松散蓋層的塌蝕，覆蓋層中土洞的漸變過程是巖溶塌陷的初期，巖溶塌陷的開始通常是以初始土洞的形成為標志的(圖4)。土洞的形成漸變是覆蓋土體層不斷剝落堆積造成的，隨著土洞規(guī)格的變化，覆蓋層土體整體穩(wěn)定性變差，最終因無法支撐上覆壓力至完全塌陷[9]。從溶蝕洞穴形成至達到最終塌陷狀態(tài)，這一階段稱為在表觀上不可見的內(nèi)部塌陷階段，在該階段覆蓋層土體的坍塌是逐級緩變破壞過程；從臨界土洞的形成至表層附著物的塌落，最終導(dǎo)致地表塌坑，這一覆蓋層土體突變的破壞過程稱為表象顯著的塌陷階段[10]。內(nèi)部塌陷階段是形成巖溶塌陷的內(nèi)因，地表塌陷階段是巖溶塌陷的具體表象，二者是巖溶塌陷的2個密不可分的部分。

1—形成空腔；2—塌土；3—堆積物被沖刷；4—不斷塌土圖3 巖溶塌陷過程示意圖

1—形成土洞；2—土層剝落；3—土洞擴大；4—地表塌坑圖4 巖溶塌陷發(fā)育過程示意圖

蓋層土體既是塌陷的施力體，也是巖溶塌陷的主要表觀表現(xiàn)形式，其物理力學(xué)性質(zhì)如含水率ω、孔隙比e、飽和度Sr及層狀結(jié)構(gòu)、厚度等都對巖溶塌陷的形成具有重要影響[11]。通過對荊泉水源地的4處塌陷區(qū)和相鄰的3處非塌陷區(qū)均進行的土樣采集測試及物理力學(xué)指標試驗分析(表1)結(jié)果得出：

表1 巖溶塌陷區(qū)及隱患區(qū)樣品物理力學(xué)指標

(1)調(diào)查區(qū)內(nèi)巖溶塌陷上覆蓋層土體結(jié)構(gòu)為粉質(zhì)粘土、中粗砂和粘土，均為多層結(jié)構(gòu)，眾多的工程實踐已經(jīng)說明，多元結(jié)構(gòu)的蓋層發(fā)生巖溶塌陷的概率遠遠大于一元結(jié)構(gòu)的蓋層[12]。

(2)區(qū)內(nèi)土體的飽和度范圍17.5%～28.5%，能產(chǎn)生30～50kPa(圖5)的真空負壓數(shù)值。隨著飽和度不斷增加，一方面，土體的透氣變差，有利于負壓真空的形成，與此同時，土體粘聚力及內(nèi)摩擦角進一步降低，土體天然容重增加，導(dǎo)致支撐力不足。自重的增加與支撐力的降低誘發(fā)了塌陷的產(chǎn)生。

圖5 含水量與真空負壓關(guān)系圖

(3)塌陷區(qū)土層含水率17.6%～28.5%，從濕度分類來看，為稍濕和濕類土。含水量直接影響支撐力、上覆層重力及真空吸蝕力的大小[13]，土層含水率高，愈容易引發(fā)巖溶塌陷。

(4)各塌陷點土層厚度統(tǒng)計結(jié)果顯示，荊泉水源地巖溶塌陷均發(fā)生在第四系覆蓋厚度10～30m的地區(qū)(圖6)。這是因為，在同一水文地質(zhì)背景下，上覆土層厚度小，地下水的潛蝕和掏空作用愈強烈，使土洞擴展到地表的過程更加急劇，從而更加容易發(fā)生塌陷[14]，相反覆蓋層厚度大，從土洞發(fā)育到塌至地面的過程中不斷堆積，有可能最終在地表不表現(xiàn)塌陷現(xiàn)象。

1—第四系厚度等值線(m)；2—塌陷點；3—隱患點；4—荊泉水源地開采井；5—荊泉水源地范圍圖6 第四系土層厚度與巖溶發(fā)育關(guān)系

綜上所述，區(qū)內(nèi)所發(fā)生巖溶塌陷的松散物蓋層厚度多小于30m，以多層結(jié)構(gòu)的土層為主，土層中的含水量較高，極易形成塌陷。其原因，一是土層厚、含水量大增加了自重，因此致塌力也大；二是水的沖刷作用減少了上覆該層堆積物的抗剪強度，是地形低洼處或河床更易于發(fā)生塌陷的誘因。

2.3 地下水條件

地下水水位劇烈變幅是產(chǎn)生塌陷的主要動力來源，也是其形成的主要原因[15]。主要影響水位的因素一個是降水的減少，一個是開采量的逐步增加[16]。上述自然條件和人為條件通常是疊加作用的，比如在降水量偏少的干旱年份，通常開采量較平均年份是增多的。

據(jù)長期監(jiān)測和調(diào)查資料分析顯示(圖7)，2008—2010年、2012—2016年地下水水位呈下降狀態(tài)。滕州市2014年、2015年降水量分別為629.7mm、580.1mm，比多年平均降水量分別少15.7%、22.3%。連續(xù)枯水年造成地下水補給量不足，區(qū)域地下水位大幅下降。2016年6月，水位下降至歷史最低值42.489m，此后由于降水補給水位又急劇回升到多年平均水位。

圖7 巖溶塌陷與降水量、開采量、地下水水位關(guān)系圖

由于人類工程活動，持續(xù)增加的地下水開采量是造成水位降低的主要因素[17- 18]，據(jù)收集資料，2009年荊泉水源地開采量為5.76萬m3/d增加到2015年的8萬m3/d，此后便持續(xù)維持在較高開采水平，造成地下水水位較自然狀態(tài)下劇烈降低，至2015年6月，巖溶塌陷開始發(fā)生。

3 結(jié)論

(1)調(diào)查區(qū)內(nèi)發(fā)生巖溶塌陷的根本原因是人為過量抽采巖溶地下水以及干旱年份大氣降水的減少。

(2)調(diào)查區(qū)內(nèi)松散蓋層是第四紀粉質(zhì)粘土、粘土夾砂層，屬多元結(jié)構(gòu)土體，塌陷區(qū)域內(nèi)松散蓋層厚10～30m。符合發(fā)生巖溶塌陷的基礎(chǔ)條件。該區(qū)內(nèi)地下水位埋深較淺，水位變幅較強烈，在地下水動力作用下，水位上下波動時，將細小的顆粒沖刷帶走，形成土洞，進而形成塌陷。

(3)巖溶水資源的過度開采是導(dǎo)致巖溶塌陷產(chǎn)生的最根本原因，從某種程度上減少地下水開采量是預(yù)防巖溶塌陷最有效的方法。同時對荊泉水源地區(qū)域巖溶塌陷重點區(qū)域開展進一步勘查工作，精確掌握巖溶塌陷的成因和趨勢，全面提升防治水平。

(4)通過此次事件，也提醒相關(guān)政府職能部門在輿情引導(dǎo)方面，需要通過電視、廣播、網(wǎng)絡(luò)等新聞媒體，大力宣傳巖溶塌陷防治知識，使群眾識災(zāi)、防災(zāi)、避災(zāi)，不斷提升自救能力。

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